(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの劣化や破損を引き起こすことなく、効率的な急速起動を行えるようにするとともに、通常発電時の燃料電池スタックの温度分布の均一化を図る。【解決手段】複数の固体電解質型セルユニット１１を互いに所定の間隙をもって積層した燃料電池スタック１０をケース２０に収容している燃料電池において、一方のガスをケース２０内に導入するための第一のガス導入部３０，３０と、ケース２０内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部４０と、第一のガス導入部３０，３０からケース２０内に導入した一方のガスを、燃料電池スタック１０の外周部１０ａに沿って周回させ、かつ、その燃料電池スタック１０の間隙を通じてガス排出部４０に向けて誘導するためのガス誘導部材６０，６０と、温度調整用ガスをケース２０内に導入するための第二のガス導入部５０とをケース２０に配設している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二種類のガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う複数の固体電解質型セルユニットを、互いに所定の間隙をもって積層した燃料電池スタックをケースに収容している燃料電池において、
一方のガスをケース内に導入するための第一のガス導入部と、
当該ケース内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部と、
上記第一のガス導入部からケース内に導入した一方のガスを、燃料電池スタックの外周部に沿って周回させ、かつ、その燃料電池スタックの上記間隙を通じてガス排出部に向けて誘導するためのガス誘導部材と、
温度調整用ガスをケース内に導入するための第二のガス導入部とをケースに配設したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
第一のガス導入部と第二のガス導入部とを、燃料電池スタックを挟む両側対向位置に配したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
第一のガス導入部から第二のガス導入部に向けて流動する一方のガスの一部を、流動経路外に分流するためのガス分流部を配設していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池と、一方のガスを第一のガス導入部に送給する第一の送給部と、一方のガスよりも高温な温度調整用ガスを第二のガス導入部に送給する第二の送給部と、一方のガスと温度調整用ガスを混合した後の混合ガスの温度を検出するためのガス温度検出センサと、燃料電池の発電出力を検知するための出力検知センサとを備えた燃料電池システムであって、
出力検知センサにより検知した発電出力が、規定値を超えたか否かを判定する出力判定手段と、
その出力判定手段により、発電出力値が規定値を超えていないと判定したときには、混合ガスの温度が規定の温度となるように、一方のガスと温度調整用ガスの混合割合を調整する混合調整手段とを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
出力判定手段により、当該発電出力が規定値を超えたと判定したときには、発電出力が増加したか否かを判定する出力増加判定手段と、
発電出力の増加分を算出する増加出力算出手段と、
増加出力算出手段により算出した出力の増加に対応して、一方のガスに対する温度調整用ガスの混合割合を低減させる混合割合低減手段とを設けたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
第二のガス導入部に、これに送給する温度調整用ガスを、固体電解質型セルユニットの積層方向に互いに分離して送給するための複数の送給路を連結していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
各送給路毎に、これを流通する温度調整用ガスの流量を互いに独立して増減する流量調整器が配設されており、
それらの流量調整器を介して、各送給路を流通する温度調整用ガスの流量を、それら各流通路毎に増減させるガス流量増減手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
ガス温度検知センサにより検知した一方のガスの温度が、設定温度以下であるか否かを判定するガス温度判定手段と、
当該一方のガスの温度が設定温度以下であると判定したときには、温度調整用ガスの送給を開始するガス送給手段と、
ガス温度検知センサにより検出したガス誘導部材の終端部での混合ガスの温度が設定温度以上となるように、起動燃焼器を介して、温度調整用ガスの温度を昇温調整する温度調整手段とを設けたことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
ガス誘導部材の終端部における温度を、設定した温度以上にするための温度調整用ガスの流量を算出する流量算出手段と、
一方のガスと温度調整用ガスの合算流量が規定の流量以内か否かを判定する流量判定手段と、
規定流量以内とするための一方のガスの分流量を算出する分流量算出手段と、
ガス分流部を介して、一方のガスを分流する分流手段とを設けたことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
ガス排出部から排出された排出ガスを、第ニのガス導入口に返戻するための返戻用流路と、この返戻用流路に配設された流量調整器とが設けられており、
流量調整器を介して、排出ガスを第二のガス導入口に返戻送給する排出ガス返戻送給手段を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池と、一方のガスを第一のガス導入部に送給する第一の送給部と、その一方のガスよりも高温な温度調整用ガスを第二のガス導入部に送給する第二の送給部と、一方のガスと温度調整用ガスとを混合した後の混合ガスの温度を検出するための混合ガス温度検出センサと、燃料電池の発電を検知するための出力検知センサとを備えた燃料電池システムの起動方法であって、
出力検知センサにより検知した発電出力値が、規定値を超えたか否かを判定し、
発電出力値が規定値を超えていないと判定したときには、混合ガスが発電出力値が既定値を超える所定の温度となるように、一方のガスと温度調整用ガスとの混合割合を調整することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二種類のガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池スタックをケースに収容した構成の燃料電池、これを用いた燃料電池システム、燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池として、例えば特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された燃料電池は、セルユニットを積層してなる燃料電池スタックを、ケースに収容したものであり、そのケースには、燃料電池スタックの放射熱で反応ガスを予熱する予熱空洞が設けられている。
【特許文献１】特開２００４−１３９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、発電時におけるセルユニットの発熱量が燃料電池スタックからの放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、燃料電池スタックのセルユニット間に冷却ガスを導入して燃料電池スタックの全体を冷却する必要がある。
【０００４】
この場合、燃料電池スタックのセルユニット間に冷却ガスを導入しないと、燃料電池スタックの温度が高くなり過ぎてしまい、金属腐食による電気抵抗増大やセルの電極と電解質界面の剥離による発電出力低下や、セルとセル板との接合部の接着力若しくは接合力低下による破壊が生じる蓋然性がある。
【０００５】
一方、燃料電池スタックのセルユニット間に冷却ガスを直接導入すると、燃料電池スタック内部での温度分布の差が顕著になり、金属材料の変形による集電体の片当たり等の接触不良が生じ発電性能の低下や、セルとセル板間の熱膨張率差に起因する熱応力破壊が生じる虞がある。
【０００６】
ところが、上記特許文献１に記載されている燃料電池では、ケースの予熱空洞において燃料電池スタックの放射熱で反応ガスを予熱することにより、効率よく熱を回収することができるものの、輻射伝熱を介して熱交換をしているので、負荷変動に対応することが極めて困難である。
【０００７】
そこで本発明は、燃料電池スタックの劣化や破損を引き起こすことなく、効率的な急速起動を行えるようにするとともに、発電時の燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池は、二種類のガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う複数の固体電解質型セルユニットを、互いに所定の間隙をもって積層した燃料電池スタックをケースに収容している燃料電池において、一方のガスをケース内に導入するための第一のガス導入部と、当該ケース内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部と、上記第一のガス導入部からケース内に導入した一方のガスを、燃料電池スタックの外周部に沿って周回させ、かつ、その燃料電池スタックの上記間隙を通じてガス排出部に向けて誘導するためのガス誘導部材と、温度調整用ガスをケース内に導入するための第二のガス導入部とをケースに配設したことを特徴としている。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、上記した燃料電池と、一方のガスを第一のガス導入部に送給する第一の送給部と、一方のガスよりも高温な温度調整用ガスを第二のガス導入部に送給する第二の送給部と、一方のガスと温度調整用ガスを混合した後の混合ガスの温度を検出するための混合ガス温度検出センサと、燃料電池の発電出力を検知するための出力検知センサとを備えた構成のものであり、出力検知センサにより検知した発電出力が、規定値を超えたか否かを判定する出力判定手段と、その出力判定手段により、発電出力値が規定値を超えていないと判定したときには、混合ガスの温度が規定の温度となるように、一方のガスと温度調整用ガスの混合割合を調整する混合調整手段とを設けたことを特徴としている。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの起動方法は、上記した燃料電池と、一方のガスを第一のガス導入部に送給する第一の送給部と、その一方のガスよりも高温な温度調整用ガスを第二のガス導入部に送給する第二の送給部と、一方のガスと温度調整用ガスとを混合した後の混合ガスの温度を検出するための混合ガス温度検出センサと、燃料電池の発電を検知するための出力検知センサとを備えた構成に関わるものであり、出力検知センサにより検知した発電出力値が、規定値を超えたか否かを判定し、発電出力値が規定値を超えていないと判定したときには、混合ガスが発電出力値が既定値を超える所定の温度となるように、一方のガスと温度調整用ガスとの混合割合を調整することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックの劣化・破損を引き起こすことなく、効率的な急速起動を行えるとともに、発電時の燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の概略斜視図、（Ｂ）は、その燃料電池の平面図である。
【００１３】
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池Ａ１は、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０をケース２０に収容した構成のものである。
燃料電池スタック１０は、複数の固体電解質型セルユニット１１…を互いに所定の間隙をもって積層してなるものであり、各燃料電池スタック１０内外に、二種類のガスを互いに分離して流通させることによる発電を行えるようにしたものである。
【００１４】
ケース２０は、平面視円形にした底壁２１と上壁２２の全周にわたり周壁２３を囲繞形成したガス密性を有する円筒形に形成されており、その周壁２３に、第一のガス導入部３０，３０、ガス排出部４０、及び第二のガス導入部５０を配設している。
【００１５】
第一のガス導入部３０，３０とガス排出部４０は、燃料電池スタック１０を挟む周壁２３の両側対向位置、換言すると、ケース２０及び燃料電池スタック１０の共通の中心軸線Ｏ１を通る直径線Ｏ２上に、それらを互いに並列させて配置している。
【００１６】
すなわち、周壁２３の当該位置には、一方のガスの流入方向α１から視て、上下，両側壁２３ａ〜２３ｄにより横長方形に囲繞形成した導入口体２４内に、第一のガス導入部であるガス導入口３０，３０、ガス排出部４０であるガス排出口を区画形成するように区画壁２５，２６を立設している。以下、第一のガス導入部を第一のガス導入口３０，３０、ガス排出部をガス排出口４０という。
「一方のガス」は、後述する一方のガス、及び起動用ガスとしての空気である。
【００１７】
第一のガス導入口３０，３０は、外部から送給された一方のガスをケース２０内に導入するためのものである。
ガス排出口４０は、ケース２０内に導入された一方のガスを排出するためのものである。
【００１８】
本実施形態において示す第二のガス導入口５０は、燃料電池スタック１０よりも高い縦長の四角形に開口形成されており、これには、燃料電池スタック１０の温度分布を均一化するための温度調整用ガスが送給されるようになっている。
この第二のガス導入口５０には、後記する流量調整器１１２に一端を連結した送給パイプ１１３の他端が連結されている。
【００１９】
ガス排出口４０を区画する区画壁２４，２５には、第一のガス導入口３０，３０からケース２０内に導入した一方のガスを、燃料電池スタック１０の外周部１０ａに沿って周回させた後、その燃料電池スタック１０の上記間隙を通じてガス排出口４０に誘導する上記したガス誘導部材６０，６０の基端部６０ａ，６０ａが接続されている。
【００２０】
ガス誘導部材６０，６０は、これらの基端部６０ａ，６０ａを区画壁２４，２５の内辺縁にそれぞれ接続されているとともに、燃料電池スタック１０の外周部１０ａとの間、及び周壁２３の内周面２３ｅとの間に一定の間隔をあけ、かつ、中心軸線Ｏ１を中心とした一円周をなすように曲成されている。
【００２１】
上記ガス誘導部材６０，６０の終端部６０ｂ，６０ｂどうしは、第二のガス導入口５０に対向する部分に、ケース２０内に導入された一方のガスを上記燃料電池スタック１０内に誘うための開口Ｐ（図１（Ｂ）参照）を形成する間隔にして対向している。
【００２２】
周壁２３の内周面２３ａとガス誘導部材６０，６０との間に区画される空間が、一方のガスを第一のガス導入口３０，３０から第二の導入口５０に向けて誘導するためのガス誘導路β１，β２となる。
【００２３】
次に、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムについて、図２を参照して説明する。図２は、その燃料電池システムの構成を示すブロック図、図３は、その燃料電池システムの一部をなす制御部が有する機能を示すブロック図である。
【００２４】
第一の実施形態に係る燃料電池システムＢ１は、一方のガスを第一のガス導入口３０，３０に送給する第一の送給部Ｃ１としてのコンプレッサ１００、起動燃焼器１１０、燃料ポンプ１２０、改質器１３０、上述した燃料電池Ａ１、及び制御部１４０を主要の構成としている。
【００２５】
起動燃焼器１１０は、燃料ポンプ１２０から送給された燃料と、コンプレッサ１００から送給された空気とを燃焼させるものであり、この起動燃焼器１１０から送出された一方のガス（リーンガス）は高温になっている。
【００２６】
改質器１３０は、起動燃焼器１１０から送出された一方のガス（リーンガス）と、コンプレッサ１００から送給された空気及び燃料ポンプ１２０から送給された燃料の混合ガスを改質するものである。
【００２７】
本実施形態においては、一方のガスよりも高温な温度調整用ガスを第二のガス導入口５０に送給する第二の送給部Ｃ２を、起動燃焼器１１０、燃料ポンプ１２０及び流量調整器１１２により構成しているが、当該構成に限るものではない。
【００２８】
上したコンプレッサ１００と改質器１３０、そのコンプレッサ１００と起動燃焼器１１０、及び当該コンプレッサ１００と第一のガス導入口３０，３０との間に送給パイプ１０１〜１０３が配設されている。これにより、起動燃焼器１１０、改質器１３０及び第一のガス導入口３０，３０に一方のガスである空気がそれぞれ送給されるようにしている。
【００２９】
一方、燃料ポンプ１２０と起動燃焼器１１０、この起動燃焼器１１０と改質器１３０との間にも送給パイプ１２１，１１１が配設されており、これにより、燃料ポンプ１２０から起動燃焼器１１０と改質器１３０とに、それぞれ燃料が送給されるようになっている。
また、改質器１３０とケース２０との間にも送給パイプ１３１が配設されており、アノードに燃料ガスが送給されるようになっている。
【００３０】
送給パイプ１１１には、流量調整器１１２が配設されている。
流量調整器１１２は所謂方向制御弁であり、起動燃焼器１１０から送出された一方のガス（リーンガス）を改質器１３０又は第二のガス導入口５０若しくはそれら双方に送給切り替えするとともに、その流量を増減調整できるものである。
【００３１】
なお、１１３は、流量調整器１１２と第二のガス導入口５０との間に配設された送給パイプであり、これを流通して第二のガス導入口５０に送給されるものが、温度調整用ガスである。
また、コンプレッサ１００から送給パイプ１０３を通じて第一のガス導入口３０，３０に送給されるものが一方のガス（室温の空気）である。
【００３２】
制御部１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路やメモリＭ等からなるものであり、その入力側には、図３に示すように、ガス温度検出センサ１５０、出力検知センサ１５１、流量計１５２，１５３、及び送給ガス温度センサ１５４，１５５が接続されている。
一方、出力側には、コンプレッサ１００、起動燃焼器１１０、燃料ポンプ１２０、改質器１３０及び流量調整器１１２が接続されている。
【００３３】
ガス温度検出センサ１５０は、一方のガス又は一方のガスと温度調整用ガスを混合した後の混合ガスの温度を検出するためのものであり、上述したガス誘導部材６０，６０の終端部６０ｂ，６０ｂ間の開口Ｐに配置されている。
【００３４】
出力検知センサ１５１は所謂電圧計や電流計であり、固体電解質型セルユニット１１…の出力の検知や計測をするものであり、換言すると、燃料電池Ａ１の発電の検知や計測を行うためのものである。
【００３５】
流量計１５２，１５３と、送給ガス温度センサ１５４，１５５とは、送給パイプ１０３，１１３に配設されている。
【００３６】
上記した制御部１４０は、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
（１）出力検知センサ１５１により、燃料電池Ａ１の発電を検知したか否かを判定する機能。これを「出力判定手段１４０ａ」という。
「発電を検知」とは、メモリＭに記憶した基準となる規定の電圧値又は電流値を超えたか否かによる。
具体的には、定格の温度よりも低い温度において燃料電池が発電可能となる状態である。
定格の温度以下でも起動中に燃料電池を発電させることにより、自己発熱により燃料電池を加熱することができる。
【００３７】
なお、このときの発電出力は、例えばモータ等の外部負荷で使用することができるが、さらには燃料電池内部に電気ヒータを設け、その電気ヒータに発電出力を供給することにより、自己発熱に加えて電気ヒータによって燃料電池を加熱することもできる。これにより、さらに迅速な起動を行うことができる。
【００３８】
（２）出力判定手段１４０ａにより、発電出力値が規定値を超えていないと判定したときには、混合ガスの温度が規定の温度となるように、一方のガスと温度調整用ガスの混合割合を調整する機能。これを「混合調整手段１４０ｂ」という。
「混合ガスの温度が規定の温度となるように」とは、燃料電池Ａ１が通常発電できる温度になるようにと同義である。
具体的には、一方のガスに対する温度調整用ガスの混合割合を増加させるように、流量調整器１１２を介して調整する。
【００３９】
（３）出力判別手段１４０ａにより、当該発電出力が規定値を超えたと判定したときには、発電出力が増加したか否かを判定する機能。これを「出力増加判定手段１４０ｃ」という。
（４）発電出力の増加分を算出する機能。これを「増加出力算出手段１４０ｄ」という。
【００４０】
（５）増加出力算出手段１４０ｄにより算出した出力の増加に対応して、一方のガスに対する温度調整用ガスの混合割合を低減させる機能。これを「混合割合低減手段１４０ｅ」という。
すなわち、燃料電池の自己発熱が開始された際には、その発熱量に応じてガスによる加熱（ガスにより供給する熱量）を減少していくことができる。その際に、一方のガスからの比較的低温なガス供給量（供給熱量）に対して、第二のガス導入口からの比較的高温な温度調整用ガスからの供給量（供給熱量）を減少していくことにより、燃料電池の加熱を行いながら、燃料電池スタックの外周部での一方のガスによる燃料電池の冷却量が増加していく。
このように、起動中に燃料電池スタックの外周での冷却を開始することで、起動完了後に直ちに燃料電池の発電を開始することができる。また、外周を冷却しながら起動することで、起動中の燃料電池の温度分布を緩和することができる。
【００４１】
以上の構成からなる燃料電池システムＢ１の起動動作について、図４を参照して説明する。図４は、燃料電池システムＢ１の起動動作を示すフローチャートである。
まず、燃料電池システムＢ１の起動方法は、出力検知センサにより検知した発電出力値が、規定値を超えたか否かを判定し、発電出力値が規定値を超えていないと判定したときには、混合ガスが発電出力値が既定値を超える所定の温度となるように、一方のガスと温度調整用ガスとの混合割合を調整することを特徴としており、具体的には次のとおりである。
ステップ１（図中「Ｓ１」と略記する。以下同様）：燃料電池システムＢ１を起動すると、ステップ２に進む。
ステップ２：燃料ポンプ１２０とコンプレッサ１００とを起動して、ステップ３に進む。
【００４２】
ステップ３：起動燃焼器１１０に燃料と空気を送給して、ステップ４に進む。
ステップ４：改質器１３０に、起動燃焼器１１０で燃焼させて高温にした燃料と空気との混合ガスを送給して、ステップ５に進む。これにより、改質器１３０からアノードに対して他方のガス（燃料ガス）が送給されることになる。
ステップ５：一方のガスと温度調整用ガスの各温度データ及びそれらの各流量を取得して、ステップ６に進む。取得した各データは、上記したメモリＭに記憶される。
【００４３】
ステップ６：一方のガスと、温度調整用ガスと室温空気との混合ガスの温度差を算出し、その温度差に基づいて一方のガスの流量を決定してステップ７に進む。
ステップ７：カソードには一方のガスと温度調整用ガスとが送給され、また、アノードには他方のガス（リッチガス）が送給されて、ステップ８に進む。
【００４４】
ステップ８：燃料電池Ａ１の発電を検知し、ここで発電を検知すればステップ９に進み、そうでなければステップ３に戻る。
ステップ９：燃料電池Ａ１の自己発電を継続して、ステップ１０に進む。
ステップ１０：発電量（発熱）を取得して、ステップ１１に進む。
ステップ１１：発電出力が増加したか否かを判定し、ここで発電出力値が増加したと判定されればステップ１２に進み、そうでなければステップ１０に戻る。
【００４５】
ステップ１２：発電出力の増加分を算出して、ステップ１３に進む。
ステップ１３：算出した発電出力の増加分に対応して、一方のガスに対する起動用ガスの混合割合を低減させて、ステップ１４に進む。
【００４６】
ステップ１４：燃料電池の温度が規定の温度に達したか否かを判定し、ここで、燃料電池の温度が規定の温度に達したと判定されればステップ１５に進み、そうでなければ、ステップ９に戻る。
ステップ１５：起動モードを完了して、定常運転モードに移行する。
【００４７】
本実施形態における一方のガスと温度調整用ガスの流動状態は、次のとおりである。
ガス導入口３０を介してケース２０内に流入した一方のガスは、ガス誘導部材６０，６０の外面側に沿い、換言すると誘導路β１，β２を通じて、ガス誘導部材６０，６０の各開放端６０ｂ，６０ｂに向けて流動する。
ガス誘導部材６０，６０の各開放端６０ｂ，６０ｂに到達した一方のガスは、当該開放端６０ｂ，６０ｂにおいて温度調整用ガスと混合された後、燃料電池スタック１０に向けて回り込んだ後、その燃料電池スタック１０の各間隙を通じてガス排出口４０に向けて流動し、そのガス排出口４０を介してケース２０外に排出される。
【００４８】
上記した構成からなる燃料電池Ａ１の定常運転は、次のとおりである。
＜高負荷運転時＞
ガス誘導部材６０，６０によって一方のガスを燃料電池スタック１０の外周部１０ａに沿って周回させることによって、燃料電池スタック１０のガス排出部側を冷却するとともに、燃料電池スタック１０の外周部１０ａに沿って周回する間に暖められた一方のガスは、ガス誘導部材６０，６０の各開放端６０ｂ，６０ｂに到達し、当該開放端６０ｂ，６０ｂにおいて温度調整用ガスと混合（昇温）された後、燃料電池スタック１０の間隙を通じてガス排出管４０に向けて流動する。これにより、燃料電池スタック１０をなす固体電解質型セルユニット１１の平面内における温度分布の均一化を図ることができ、その燃料電池スタック１０の内部を所望の温度差に抑えられる。
【００４９】
＜低負荷運転時＞
ガス誘導部材６０，６０によって、一方のガスを燃料電池スタック１０の外周部１０ａに沿って周回させることによって、その燃料電池スタック１０のガス排出部側を冷却するとともに、燃料電池スタック１０の外周縁部Ｂａに沿って周回する間に暖められた一方のガスは、燃料電池スタック１０の間隙ｓを通じてガス排出管４０に向けて流動する。
これにより、燃料電池スタック１０をなす固体電解質型セルユニット１１の平面内における温度分布の均一化を図ることができ、その燃料電池スタック１０の内部を所望の温度差に抑えられる。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池及び燃料電池システムによれば、次の効果を得ることができる。
（ａ）ケース内に設けられたガス誘導部材を介した燃料電池スタックと、これの外周部に沿って流れるガス（第一のガス導入部から供給）との熱交換を行うことができる。
（ｂ）ガス誘導部材の終端部から燃料電池スタックに送給されたガスと、燃料電池スタックとの熱交換を行うことができる。
（ｃ）温度調整用ガスの温度と流量を制御しているので、第一のガス導入部から供給するガスに加えて、第二のガス導入部から供給する温度調整用ガスで制御できるため、（ａ），（ｂ）に記載の熱交換を互いに独立して調整することができる。
すなわち、（ａ）の効果が大きいほど燃料電池の温度分布を緩和できることから、（ａ），（ｂ）に記載の熱交換を互いに独立して調整可能とすることにより、燃料電池の温度分布を緩和することができる。
【００５１】
次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５〜７を参照して説明する。図５（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の内部構造を示す平面図、（Ｂ）は、その燃料電池システムの構成を示すブロック図である。また、図６は、その燃料電池システムの一部をなす制御部が有する機能を示すブロック図である。
【００５２】
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２は、後述するするガス分流部を配設した点が、上述した燃料電池Ａ１と相違しているので、本実施形態においては、その相違点について説明し、その他、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
ガス分流部７０，７０は、第一のガス導入口３０，３０から第二のガス導入口５０に向けて流動する一方のガスの一部を、流動経路外に分流するためのものである。
本実施形態において示すガス分流部７０，７０は、ガス誘導部材６０，６０の終端部６０ｂ，６０ｂであって、第二のガス導入口５０の両側に配設した分流管７１，７１と、これら分流管７１，７１に配設された流量調整器（制御弁）７２，７２とを有して構成されている。
流量調整器（制御弁）７２，７２は、制御部１４０の出力側に接続されており、適宜に開閉駆動されるようになっている。
【００５４】
ガス排出管４０には排出パイプ４１が連結されており、その排出パイプ４１に流量調整器（制御弁）７３が配設されている。
流量調整器（制御弁）７３は、上記した燃料電池スタック１０から排出された排出ガス（カソードオフガス）の一部をガス導入口５０に返戻するためのものであり、これには上記ガス導入口５０に連結されている送給パイプ１１３との間に返戻用流路としての返戻用パイプ７５が連結されている。
【００５５】
なお、流量調整器（制御弁）７３も制御部１４０の出力側に接続されており、発電状態において、温度調整用ガスの送給が必要なときに、上記した第二の送給部Ｃ２からの温度調整用ガスに代えて、高温な排出ガスを返戻送給するようにしている。
すなわち、制御部１４０に、流量調整器７３を介して排出ガスを第二の返戻送給する機能（排出ガス返戻送給手段）を設けている。
【００５６】
次に、第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５（Ｂ）を参照して説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムＢ２は、流量調整器７２，７２、流量調整器７３を配設した点と、制御部が有する機能が相違する点を除けば、上述した燃料電池システムＢ１と同等であるので、本実施形態においては、それらと同等のものについて、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
制御部１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、その入力側には、図６に示すように、混合ガス温度検出センサ１５０、出力検知センサ１５１、流量計１５２，１５３、及び送給ガス温度センサ１５４，１５５が接続されている。
一方、出力側には、コンプレッサ１００、燃料ポンプ１２０、改質器１３０及び流量調整器１１２、流量調整器７２，７３が接続されている。
【００５８】
上記した制御部１４０は、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
（６）ガス誘導部材の終端部における混合ガスの温度を、設定した温度以上にするための温度調整用ガスの流量を算出する機能。これを「流量算出手段１４０ｆ」という。
【００５９】
（７）一方のガスと温度調整用ガスの合算流量が規定の流量以内か否かを判定する機能。これを「流量判定手段１４０ｇ」という。
「規定の流量」は、例えば誘導路β１，β２の許容流量やコンプレッサ１００の能力等を勘案して設定している。
例えばガス誘導部材６０の終端部６０ｂ，６０ｂにおけるガス温度を検知し、その検知結果に基づいて第二のガス導入口５０から高温の温度調整用ガスを供給するが、その際に終端部６０ｂ，６０ｂでのガス温度を設定温度以上にするために必要な温度調整用ガスの供給量が設定値以上となる場合に、一方のガスを部分的に分流する。
これにより、温度調整用ガスを大量に供給することなく効率的に（大量のガスを流すためのブロワ損失が少ない、加熱ガスを生成するためのエネルギを大量に必要としない）温度分布を緩和した運転が可能となる。
【００６０】
（８）規定流量以内とするための一方のガスの分流量を算出する機能。これを「分流量算出手段１４０ｈ」。
（９）ガス分流部７０，７０を介して、一方のガスを分流する機能。これを「分流手段１４０ｉ」。
このような分流手段１４０ｉを設けたことにより、ガス導入口３０，３０から送給した一方のガスを第二のガス導入部に至る上流側で分流できるようになり、第二のガス導入部から送給される温度調整用ガスと、燃料電池スタックとの熱交換ガスの効果を高めることができる。これにより、上記した（ａ），（ｂ）を互いに独立してより精度良く制御することができる。
また、分流したガスは燃焼器や改質器へ送給して再利用することもできるし、空気である場合には空調用の空気としても利用することができる。
【００６１】
（１０）ガス温度検知センサにより検知した一方のガスの温度が、設定温度以下であるか否かを判定する機能。これを「ガス温度判定手段１４０ｊ」という。
（１１）当該一方のガスの温度が設定温度以下であると判定したときには、温度調整用ガスの送給を開始する機能。これを「ガス送給手段１４０ｋ」という。
（１２）ガス温度検知センサにより検出したガス誘導部材の終端部での混合ガスの温度が設定温度以上となるように、起動燃焼器を介して、温度調整用ガスの温度を昇温調整する機能。これを「温度調整手段１４０ｌ」という。
【００６２】
以上の構成からなる燃料電池システムＢ２の定常運転動作について、図７を参照して説明する。図７は、定常運転動作を示すフローチャートである。
なお、本実施形態における起動動作については、上述した燃料電池システムＢ１と同等であるので、その説明を省略する。
【００６３】
ステップ１（図中「Ｔ１」と略記する。以下同様）：燃料電池Ｂ２に一方のガスの送給を開始する。
ステップ２：ガス誘導部材６０，６０の終端部６０ｂ，６０ｂにおける温度を取得して、ステップ３に進む。
【００６４】
ステップ３：温度が、所定の値以上になったか否かを判定し、ここで、温度が所定の値以上になったと判定されればステップ４に進み、そうでなければ、ステップ５に進む。
ステップ４：第一のガス導入口３０から一方のガスとして室温空気のみを送給して、ステップ１０に進む。
【００６５】
ステップ５：ガス誘導部材６０，６０の終端部６０ｂ，６０ｂにおける温度を、設定した温度以上にするための温度調整用ガスの流量を算出して、ステップ６に進む。
ステップ６：設定した流量以内か否かを判定し、ここで設定した流量以内であれば、ステップ７に進み、そうでなければステップ８に進む。
【００６６】
ステップ７：一方のガスをガス導入部３０，３０に送給し、温度調整用ガスを第二のガス導入口５０に送給する。
ステップ８：設定流量以内とするための一方のガスの分流量を決定して、ステップ９に進む。
【００６７】
ステップ９：一方のガスをガス導入部３０，３０に送給し、温度調整用ガスを第二のガス導入口５０に送給するとともに、一方のガスを分流部７０，７０で所要量だけ分流排出して、ステップ１に戻る。
【００６８】
次に、図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して、他例に係る燃料電池について説明する。図８（Ａ）は、第二のガス導入部の他例を示す斜視図、（Ｂ）は、第二のガス導入部の他の配置例を示す概略平面図、（Ｃ）は、分流部の他の配置例を示す概略平面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００６９】
同図（Ａ）に示す他例に係る第二のガス導入部８０は、ケース２０内のガス誘導部材６０，６０の開口Ｐに対向する周壁２３部分に、上下４段に円形の導入口８１…を所要の間隔で配列した構成のものである。
【００７０】
導入口８１には、これらに送給する温度調整用ガスを、固体電解質型セルユニット１１…の積層方向に互いに分離して送給するための複数の送給路である送給パイプ８２…をそれぞれ連結している。
また、各送給パイプ８２毎に、これを流通する温度調整用ガスの流量を互いに独立して増減するための流量調整器８３…が配設されている。
【００７１】
「所要の間隔」は、複数の固体電解質型セルユニット１１…の積層間隔に対応したものであり、具体的には、上下二つずつの固体電解質型セルユニット１１，１１の所定の間隙に対向させている。
【００７２】
なお、本実施形態においては、導入口８１…を上下４段にした例について示しているが、それは、五つの固体電解質型セルユニット１１…を想定し、それらを積層したときに生じる各間隙に対応させたものであり、従って、導入口８１…の数は、積層する固体電解質型セルユニット１１…の個数に対応して増減すればよいものである。
【００７３】
上記の構成からなる第二のガス導入部８０を採用する場合、制御部１４０が次の機能を有するものとするとよい。
（１３）送給パイプ８２…にそれぞれ配設した流量調整器８３…を介して、各送給パイプ８２…を流通する温度調整用ガスの流量を、それら各送給パイプ８２…毎に増減させる機能。これを「送給ガス量増減手段１４０ｍ」という。
このような送給ガス量増減手段１４０ｍを設けることにより、燃料電池Ａ１の面内方向の温度分布だけではなく、積層方向の温度分布も緩和することができる。
【００７４】
図８（Ｂ）には、第一のガス導入部３０，３０からガス誘導部材６０，６０の終端部６０ｂ，６０ｂに向かう一方のガスの一部を、換言すると、誘導路β１，β２の途中における、（ア）や（イ）で示す位置に第二のガス導入部５０を配設したものを示している。
このような位置に第二のガス導入部５０を配置しても、図１（Ａ），（Ｂ）で示す位置に配置した第二のガス導入部５０と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
図８（Ｃ）には、第一のガス導入部３０から第二のガス導入部５０に向かう一方のガスの一部を、換言すると、誘導路β１，β２の途中における、（ウ），（エ）で示す位置に第二のガス分流部７０，７０を配設したものを示している。
このような位置にガス分流部７０，７０を配置しても、図５において示す位置に配置したガス分流部７０，７０と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・温度調整用ガスは起動中を通じて、一定のガス組成のものを供給してもよいし、燃料電池スタックの温度に応じて組成を変更してもよい。
例えば、燃料電池の劣化が起こらない低温域に限ってはアノード、カソードにどのような組成のガスを供給してもよく、それ以上の温度域ではアノード、カソードを劣化させない程度にアノード側は不活性ガス〜燃料（リッチガス＝還元性）ガスを供給し、カソード側は不活性ガス〜酸化剤（リーン）ガスを供給してもよい。
【００７７】
また、燃料電池が発電可能となった際には、電極を劣化させないことに加えて発電に必要なガスを供給することができる。これにより、燃料電池を破損することなく、従ってまた、面内の温度分布を生じることなく、効率的な急速起動を行うことができる。
【００７８】
・上述した各実施形態においては、温度調整用ガスとして、一方のガスよりも高温のものを例として説明したが、一方のガスよりも低温のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の概略斜視図、（Ｂ）は、その燃料電池の平面図である。
【図２】第一の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】制御部が有する機能を示すブロック図である。
【図４】燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。
【図５】（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の内部構造を示す平面図、（Ｂ）は、第二の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】制御部が有する機能を示すブロック図である。
【図７】定常運転動作を示すフローチャートである。
【図８】（Ａ）は、第二のガス導入部の他例を示す斜視図、（Ｂ）は、第二のガス導入部の他の配置例を示す概略平面図、（Ｃ）は、分流部の他の配置例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０            燃料電池スタック
１０ａ          外周部
１１            固体電解質型セルユニット
２０            ケース
３０            第一のガス導入部
４０            ガス排出部
５０            第二のガス導入部
６０            ガス誘導部材
７０            ガス分流部
８２            送給路
８３            流量調整器
１５０          混合ガス温度検出センサ
１４０ａ        出力判定手段
１４０ｂ        混合調整手段
１４０ｃ        出力増加判定手段
１４０ｄ        増加出力算出手段
１４０ｅ        混合割合低減手段
１１０          起動燃焼器
１４０ｊ        ガス温度判定手段
１４０ｋ        ガス送給手段
１４０ｌ        温度調整手段
１４０ｉ        分流手段
１５１          出力検知センサ
Ａ１，Ａ２      燃料電池
Ｃ１            第一の送給部
Ｃ２            第二の送給部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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